基于IGBT的交流固態(tài)功率控制器設(shè)計(jì)

劉建英，劉鵬飛，馬 敏，楊占剛，李新健

(1.中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國南方航空股份有限公司河南分公司，河南鄭州 451162)

0 引言

固態(tài)功率控制器(SSPC)是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的智能開關(guān)裝置，為115 V、400 Hz、3．0～7．5 A的交流負(fù)載提供控制和饋電線保護(hù)功能，用于接通或斷開電路，實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)和接收上位機(jī)的控制信號(hào)并報(bào)告其狀態(tài)信息。不但兼具斷路器在線保護(hù)和固態(tài)繼電器高可靠性的特點(diǎn)，具有無觸點(diǎn)、無電弧、無噪聲、響應(yīng)快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)ψ栊浴⒏行院腿菪愿鞣N負(fù)載實(shí)時(shí)的電壓、電流、頻率狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作出處理[1]。

系統(tǒng)以STM32為控制內(nèi)核，通過CAN總線與電氣負(fù)載管理中心(ELMC)進(jìn)行通信，并根據(jù)指令信號(hào)激勵(lì)功率開關(guān)部件斷開和閉合；根據(jù)電流型電壓互感器以及AD736芯片信息，判斷SSPC的狀態(tài)。選用型號(hào)為IKB15N60T的IGBT作為功率開關(guān)，不僅具有功率MOS管高輸入阻抗的優(yōu)點(diǎn)，而且具有雙極型開關(guān)器件BJT耐壓值高、通電流大的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作SSPC的功率開關(guān)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)滿足高精度的測(cè)量要求，并且實(shí)現(xiàn)了I2t反時(shí)限過流保護(hù)功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1 交流固態(tài)功率控制器原理框圖

固態(tài)功率控制器主要由4部分組成：隔離電源轉(zhuǎn)換電路、隔離接口電路、控制保護(hù)電路和功率開關(guān)電路，其中控制保護(hù)電路是固態(tài)功率控制器的核心模塊[2-3]。

隔離電源和隔離接口電路都起到隔離保護(hù)作用[4]，避免了SSPC與上位機(jī)及外部供電電源的相互干擾，特別是當(dāng)某一個(gè)SSPC因過流或過壓被瞬間燒壞時(shí)，阻斷破壞信號(hào)波及上位機(jī)，從而有效地保護(hù)了上位機(jī)和其他SSPC的正常工作。開關(guān)電路選擇IGBT作為電子開關(guān)，通過對(duì)IGBT管驅(qū)動(dòng)電路的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載上電或斷電的控制。

控制保護(hù)電路作為固態(tài)功率控制器SSPC的核心[5-7]，具有驅(qū)動(dòng)和控制功率開關(guān)、負(fù)載的短路保護(hù)和I2t反時(shí)限過流保護(hù)、監(jiān)控負(fù)載的電參數(shù)和頻率等功能。SSPC通過電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流信息，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載短路時(shí)，短路信號(hào)直接反饋到IGBT管驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，立即關(guān)斷IGBT管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的斷電保護(hù)功能；同時(shí)，SSPC將此斷開狀態(tài)反饋到控制器進(jìn)行鎖存，并通過總線將此狀態(tài)信息發(fā)送到顯示裝置。當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載電流超過配置的過載電流時(shí)，SSPC按照I2t曲線規(guī)律進(jìn)行過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 功率開關(guān)模塊及其驅(qū)動(dòng)電路

由于功率IGBT是全控型壓控開關(guān)器件，控制可靠性強(qiáng)且導(dǎo)通壓降低[8-9]，選用型號(hào)為IKB15N60T的IGBT反向串聯(lián)組合作為功率開關(guān)模塊。

功率開關(guān)采用兩發(fā)射極對(duì)接的IGBT反向串聯(lián)組合，為保證可靠性，需要對(duì)2個(gè)IGBT同時(shí)進(jìn)行控制。選用SCALE-2芯片組2SC0108T作為驅(qū)動(dòng)電路。

2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅(qū)動(dòng)器[10-11]。接口兼容3．3～15 V邏輯電平信號(hào)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓+15 V/-8 V，驅(qū)動(dòng)電流8 A，單通道輸出功率1 W，可以驅(qū)動(dòng)600 A/1 200 V或450 A/1 700 V的常規(guī)IGBT模塊，支持3級(jí)或多級(jí)拓?fù)洹?nèi)置隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和電源電壓監(jiān)控等功能。

2．2 交流電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖2是交流電壓檢測(cè)電路，圖中的互感器選用電流型電壓互感器GPT-206B，具有體積小、精度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，原副邊匝數(shù)比為1：1，額定輸入電流為2 mA，線性范圍為0～10 mA．額定輸入電壓為115 V，在互感器輸入端接一個(gè)57 kΩ的限流電阻，使輸入電流為2 mA左右，再經(jīng)過57 kΩ的取樣電阻，送入AD736的輸入端。

微電壓測(cè)量部分采用AD736芯片。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好(滿量程為200 mVRMS)、測(cè)量速率快、頻率特性好(工作頻率范圍可達(dá)0～460 kHz)、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200 μA．用它來測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過±0．3%，所以適合應(yīng)用到對(duì)精度要求非常高的固態(tài)功率控制器中。

如表2所示，對(duì)PP注塑件VOC八項(xiàng)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，主要檢出物為甲醛和乙醛，其它物質(zhì)由于含量較低無法檢出(ND)。造成該結(jié)果的原因是PP材料在高溫下會(huì)發(fā)生熱氧化降解，其主要產(chǎn)物為醛類小分子化合物。從圖1中可以看出，隨著注塑溫度升高，甲醛和乙醛含量增大，當(dāng)溫度高于210℃時(shí)，熱氧化降解加強(qiáng)，產(chǎn)生的醛類物質(zhì)開始大量增加。如表2所示，隨著注塑溫度升高，PP注塑件的氣味越來越大，主要為焦糊味，注塑溫度超過210℃后，焦糊味越來越濃，逐漸無法接受。所以在PP材料注塑加工過程中，把加工溫度控制在在210℃以下，有利于降低PP注塑件的氣味、VOC。

圖2中，R為限流電阻，取值為47 kΩ，D1、D2為雙向限幅二極管，可起到過壓保護(hù)作用，文中選擇IN4148高速開關(guān)二極管。

測(cè)量系統(tǒng)是由電流型電壓互感器、STM32單片機(jī)、交流真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736等組成。AD736要求輸入電壓幅值在±200 mV之間，所以對(duì)115 V AC電壓先做降壓處理，再送入AD736．OUTPUT輸出引腳接到單片機(jī)的A/D采樣端口進(jìn)行測(cè)量。

圖2 交流電壓檢測(cè)電路圖

2．3 交流電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

交流電流的檢測(cè)方法是通過電流互感器將交流大電流轉(zhuǎn)換為交流小電流，再使用硬件電路進(jìn)行處理。圖3是交流電流檢測(cè)電路，電流互感器選用穿孔式電流互感器TA17-04，具有體積小、精度高、線性度好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)?；ジ衅髟边叺脑褦?shù)比為2 000：1，輸入電流的線性范圍為0～20 A，工作頻率為20 Hz～20 kHz，輸出端額定采樣電阻為300 Ω.互感器輸出的電流經(jīng)過采樣電阻后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過絕對(duì)值整流放大電路轉(zhuǎn)換成小信號(hào)，最后接到單片機(jī)的A/D采樣端口進(jìn)行測(cè)量。

圖3 交流電流檢測(cè)電路圖

2．4 反時(shí)限過流保護(hù)設(shè)計(jì)

交流固態(tài)功率控制器首先應(yīng)該具有Ι2t保護(hù)功能即反時(shí)限保護(hù)功能，一般反延時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)方程為：

(1)

式中：t為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間；K為反時(shí)限常數(shù)；I為負(fù)載電流；Ip為額定電流。

整理成積分形式為：

(2)

離散化得到：

(3)

式中：Ι(n)為第n次采樣的電流值；Ip為負(fù)載的額定電流；N為求和次數(shù)；ΔT為采樣時(shí)間間隔。

圖4 反延時(shí)保護(hù)程序流程圖

在對(duì)負(fù)載電流I采樣結(jié)束后，首先判斷I≤Ip是否成立，若成立，則轉(zhuǎn)到采樣程序繼續(xù)采樣；若不成立，則向下執(zhí)行程序。接著判斷I>10·Ip是否成立，若成立，則直接轉(zhuǎn)到斷開負(fù)載的非延時(shí)保護(hù)動(dòng)作；若不成立，則計(jì)算累積和Sum.再比較累積和Sum與M的大小，若Sum>M，則執(zhí)行負(fù)載的反延時(shí)保護(hù)動(dòng)作；若Sum≤M，則轉(zhuǎn)到采樣程序繼續(xù)采樣，重復(fù)前面的流程。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3．1 對(duì)交流電參數(shù)的測(cè)量

系統(tǒng)以PC機(jī)作為PSP，制作上位機(jī)軟件，監(jiān)控負(fù)載的狀態(tài)，上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控負(fù)載回路圖

系統(tǒng)115 V交流電壓由地面電源提供，在回路中接入額定功率為900 W的電氣負(fù)載，通電測(cè)試后在PC機(jī)上得到電壓、電流、功率、因素和電量共5個(gè)電參數(shù)，由圖8可知，獲取參數(shù)的采樣精度滿足系統(tǒng)要求，多參數(shù)的測(cè)量提高了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足關(guān)鍵負(fù)載的不中斷供電要求，軟件刷新時(shí)間間隔設(shè)置為50 ms，這樣就能滿足大部分負(fù)載的要求。當(dāng)檢測(cè)到電源脫落后，把負(fù)載轉(zhuǎn)換到可供選用的電源上，達(dá)到防止供電中斷的目的。

3．2 反時(shí)限過流保護(hù)測(cè)試

固態(tài)功率控制器的輸入電流額定值為5 A，軟件設(shè)定當(dāng)負(fù)載電流≥5 A時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行反時(shí)限過流保護(hù)算法；當(dāng)負(fù)載電流大于10 A時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行過流保護(hù)，直接斷開負(fù)載。

測(cè)試從5 A開始每隔0．5 A選擇1個(gè)采樣點(diǎn)，直到10 A，令外也測(cè)試了11 A的大電流，將這些定點(diǎn)的過流保護(hù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)值記錄下來，根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，描繪出一條反時(shí)限過流保護(hù)曲線如圖6所示。圖6中的保護(hù)曲線基本符合反時(shí)限過流保護(hù)的要求。

圖6 反時(shí)限過流保護(hù)曲線

4 結(jié)束語

文中提出的基于IGBT的固態(tài)功率控制器具有靈敏度高，能夠檢測(cè)負(fù)載的電流并能提供反延時(shí)保護(hù)?；谡嬗行е缔D(zhuǎn)換芯片AD736設(shè)計(jì)的交流電壓檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了電路，也滿足了精度要求。應(yīng)用固態(tài)功率控制器實(shí)測(cè)時(shí)，能夠監(jiān)控負(fù)載的各種電參數(shù)，系統(tǒng)的反時(shí)限過流保護(hù)曲線精度較高，方便用于在線測(cè)量，有很高的實(shí)用價(jià)值。

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